GDI超高壓噴霧撞壁特性的激光可視化

許鍇，衛(wèi)立夏，裴毅強(qiáng)，王晨晰，李翔，李俊啟，葉自旺，許貝

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧，530000；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072)

缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection,GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠減少爆震和泵氣損失，因此，在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性上具有顯著優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為汽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。但是，由于GDI 汽油機(jī)的噴射方式導(dǎo)致缸內(nèi)混合時(shí)間較短，顆粒物排放數(shù)量和質(zhì)量增加，同時(shí)，GDI 汽油機(jī)趨于小型化也加劇了燃油撞壁現(xiàn)象，其產(chǎn)生的附壁油膜是發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的主要誘因。隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，顆粒排放法規(guī)也愈發(fā)嚴(yán) 格。 相 比GB 18352.5—2013[4]， GB 18352.6—2016[5]對(duì)汽油顆粒物質(zhì)量(particle mass,PM)的限值要求提高了33%，同時(shí)增加了汽油機(jī)顆粒物數(shù)量(particle number,PN)的限值要求。因此，如何降低GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放變得更加重要。提高噴射壓力能夠加劇燃料破碎，促進(jìn)燃油與空氣混合，但更高的噴射壓力也增加了噴霧撞擊缸套和活塞頂?shù)目赡苄訹6]，因此，對(duì)高壓噴霧撞壁現(xiàn)象進(jìn)行深入研究受到越來(lái)越多研究者的重視。LEE等[7]等用激光可視化系統(tǒng)和相位多普勒分析系統(tǒng)研究了30 MPa 以下噴霧液滴的破碎和霧化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)噴射壓力的提高有助增強(qiáng)液滴破碎和燃油霧化蒸發(fā)的能力。WHITAKER 等[8]使用單缸光學(xué)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)到提高噴射壓力(0.4～15.0 MPa)可以減少顆粒物的排放。MURAMATSU等[9]使用高速攝像機(jī)和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究了在不同噴射壓力下(0.30～0.48 MPa)油膜附壁和蒸發(fā)情況，發(fā)現(xiàn)噴射壓力升高使噴霧顆粒和油膜附著量減少。SCHULZ等[10]采用激光誘導(dǎo)熒光法比較了不同邊界條件下附壁油膜的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)背壓≥0.1 MPa 時(shí)提高噴射壓力(5～30 MPa)會(huì)使附壁油膜的質(zhì)量有下降趨勢(shì)。目前，人們對(duì)于GDI超高壓噴霧的試驗(yàn)研究多以柴油機(jī)噴油器為載體，從自由噴霧的宏觀特性出發(fā)，開(kāi)展GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓噴霧的研究[11]。對(duì)于汽油噴霧撞壁的試驗(yàn)研究，噴射壓力也基本局限在30 MPa 以下，而有關(guān)超高壓噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程與結(jié)果(所形成的附壁油膜)的研究較少，因此，提高噴射壓力以增強(qiáng)噴霧霧化程度、改善燃料與空氣混合質(zhì)量，并結(jié)合噴霧撞壁過(guò)程進(jìn)行深入研究對(duì)降低顆粒物排放具有重要意義。本文作者應(yīng)用激光米氏散射和激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence，LIF)系統(tǒng)，在10～50 MPa的噴射壓力下結(jié)合其他邊界條件，對(duì)GDI多孔噴油器噴霧撞壁后壁面射流的宏觀特性及所形成附壁油膜的形態(tài)、面積、質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為解決GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放問(wèn)題提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 激光米氏散射試驗(yàn)系統(tǒng)

激光米氏散射試驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓供油系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)試及圖像采集系統(tǒng)、信號(hào)同步控制系統(tǒng)組成，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。采用異辛烷作為汽油替代燃料，高壓供油系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、液壓泵和噴油器組成，可以提供高達(dá)50 MPa 的噴油壓力，誤差能夠控制在±0.1 MPa以內(nèi)。1個(gè)表面光滑、半徑為45 mm的圓形石英板被固定在噴油器下方模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂。激光器(ND：YAG980)發(fā)出波長(zhǎng)為532 nm，能量約為2 mJ 的可見(jiàn)激光，由反光鏡反射后通過(guò)勻光片形成均勻光斑，透過(guò)石英板照亮噴霧并發(fā)生米氏散射現(xiàn)象，噴霧發(fā)出的散射光射入高速攝像機(jī)后成像。通過(guò)ECU 和信號(hào)發(fā)生器控制激光信號(hào)、噴油信號(hào)、拍攝信號(hào)的同步觸發(fā)。選用Photron 公司的Fastcam SA6 型高速攝像機(jī)采集并存儲(chǔ)噴霧圖像，試驗(yàn)拍攝頻率為125 幀/s，分辨率設(shè)置為1 080×1 024像素。

圖1 米氏散射系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of Mie scattering system

1.2 激光誘導(dǎo)熒光法試驗(yàn)系統(tǒng)

LIF系統(tǒng)在米氏散射試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建，所使用的基礎(chǔ)設(shè)備基本相同，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。由于汽油為多組分燃料，激光激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾光對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成極大影響，因此使用異辛烷作為汽油的替代燃料，并采用體積分?jǐn)?shù)為12%的三戊酮作為熒光劑[12]以保證混合溶液與汽油有相似的物理特性，同時(shí)能夠提供充足的熒光強(qiáng)度。燃油由高壓供油系統(tǒng)提供噴射壓力，經(jīng)GDI噴油器噴出，撞擊石英平板并形成附壁油膜。激光器發(fā)出波長(zhǎng)為266 nm的紫外光，通過(guò)分光比例為3:7的分光鏡將激光分為2束。具有70%能量的激光光束透過(guò)分光鏡在勻光片的作用下形成均勻光斑，照亮噴霧并產(chǎn)生熒光，通過(guò)信號(hào)同步系統(tǒng)使得高速攝像機(jī)拍攝、噴霧噴射同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)附壁油膜圖像的拍攝和儲(chǔ)存。

圖2 LIF系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of LIF system

本試驗(yàn)通過(guò)能量校正降低激光脈沖波動(dòng)引起的試驗(yàn)誤差，因此，另一部分光束經(jīng)過(guò)分光鏡反射后，通過(guò)凸透鏡后收集在能量監(jiān)視器上記錄激光脈沖強(qiáng)度，為能量校正提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確捕捉照亮噴霧瞬間的該束激光脈沖能量，在能量計(jì)前安裝機(jī)械快門(mén)并由DG535脈沖信號(hào)延時(shí)器控制其與激光信號(hào)同步。

1.3 試驗(yàn)燃料及試驗(yàn)參數(shù)

在壓力為0.1 MPa，溫度為293 K 的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，空氣相對(duì)濕度控制在55%左右。實(shí)驗(yàn)采用某商用五孔噴油器，為避免各噴束的噴霧撞壁及附壁油膜圖像重疊，通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴油器支架調(diào)整噴霧。試驗(yàn)用噴油器噴孔位置及側(cè)面噴霧示意圖如圖3所示。試驗(yàn)以噴束1為研究對(duì)象，采用沒(méi)有熒光性的異辛烷作為汽油替代燃料，添加體積分?jǐn)?shù)為12%的三戊酮[7]作為熒光劑產(chǎn)生LIF信號(hào)。在常溫條件下，與試驗(yàn)相關(guān)的異辛烷和三戊酮的物理性質(zhì)如表1所示。由于兩者物性差異較小，且試驗(yàn)溶液中三戊酮濃度較低，其作為熒光劑產(chǎn)生的誤差可以忽略[12]。

圖3 試驗(yàn)用噴油器噴孔位置及側(cè)面噴霧示意圖Fig.3 Diagram of nozzle position of experimental injector and side spray

表1 異辛烷及三戊酮的物理性質(zhì)Table1 Physical properties of isooctane and 3-pentanone

撞壁距離和撞壁角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油混合過(guò)程有實(shí)際意義。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程噴油，噴油提前角越小，噴油器距活塞越近。噴油嘴的布置分為中置和側(cè)置，噴射角度不盡相同。噴霧液滴動(dòng)量、撞壁距離和撞壁角度均能影響附壁油膜形態(tài)與質(zhì)量。本試驗(yàn)在提高噴射壓力的同時(shí)，設(shè)置不同的撞壁距離及角度，比較各參數(shù)相互作用的結(jié)果。噴油器參數(shù)和噴射條件如表2所示。設(shè)置不同噴射角度時(shí)控制噴霧行程相同，避免自由噴霧發(fā)展時(shí)間不同對(duì)研究單一變量的影響。

表2 噴油器參數(shù)及噴射條件Table2 Injector parameters and injection conditions

試驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧結(jié)束1.6 ms后，單束噴霧撞壁基本完成。為研究噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程，設(shè)置激光米氏散射試驗(yàn)，拍攝時(shí)間t分別為噴霧結(jié)束后0，0.4，0.8，1.2 和1.6 ms。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴霧結(jié)束3 ms后，噴霧上方的液滴及撞壁反彈的噴霧基本完全落下，因此LIF法對(duì)附壁油膜的拍攝時(shí)間設(shè)為噴霧結(jié)束后3 ms。每個(gè)試驗(yàn)工況重復(fù)20 次以降低噴霧隨機(jī)性產(chǎn)生的誤差。

1.4 標(biāo)定與后處理

由于需要對(duì)擴(kuò)展半徑、反彈高度、油膜面積和質(zhì)量等特征參數(shù)進(jìn)行研究，因此必須保證不同工況下噴油質(zhì)量相同，而噴油壓力和噴油脈寬是影響本試驗(yàn)系統(tǒng)噴油質(zhì)量的主要因素。通過(guò)對(duì)噴油質(zhì)量標(biāo)定，繪制出不同噴油壓力下噴油脈寬和噴油質(zhì)量的回歸曲線。以壓力為10 MPa，噴油脈寬為3 ms 時(shí)的總噴油質(zhì)量18.7 mg為標(biāo)準(zhǔn)值，確定不同壓力下對(duì)應(yīng)的噴油脈寬。噴霧反彈高度和拓展半徑是表征噴霧撞壁后壁面射流發(fā)展?fàn)顩r的重要參數(shù)，其示意圖如圖4所示。本文只討論圖3中噴束1 撞壁時(shí)的反彈高度Lx1與擴(kuò)展半徑Ly1。反彈高度越高，噴霧在環(huán)境氣體中霧化蒸發(fā)的時(shí)間越長(zhǎng)，有利于抑制附壁油膜的形成；而較大的拓展半徑則有利于附壁油膜形成后進(jìn)一步蒸發(fā)。

圖4 噴霧撞壁反彈高度和擴(kuò)展半徑示意圖Fig.4 Diagram of spray rebound height and expansion radius

在每次視場(chǎng)變化后，通過(guò)拍攝實(shí)際刻度尺圖像對(duì)視場(chǎng)范圍進(jìn)行標(biāo)定，確定圖片中的像素并以此計(jì)算反彈高度、擴(kuò)展半徑和油膜面積。其中，當(dāng)撞壁距離d為50 mm時(shí)，噴射壓力為10～30 MPa條件下的圖像比例尺與噴射壓力大于30 MPa 條件下的圖像比例尺不同，而撞壁距離為70 mm 的圖像比例尺與前兩者各不相同。

試驗(yàn)中附壁油膜厚度的測(cè)量基于其與熒光信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，由Lambert-Beer定律可得到以下方程：

式中：If和I0分別為熒光強(qiáng)度和激光激發(fā)強(qiáng)度；Q為量子產(chǎn)率；ε為摩爾吸收系數(shù)；c為溶液濃度；L為激光透射長(zhǎng)度(油膜厚度)。

本試驗(yàn)中，由于c×L很小，可省略式(1)中的高階項(xiàng)，則有

式中I0，Q，ε和c固定不變，因此熒光強(qiáng)度與油膜厚度L成正比，即

式中：K為比例系數(shù)。

油膜厚度標(biāo)定裝置示意圖如圖5所示。采用標(biāo)定裝置進(jìn)行厚度標(biāo)定，通過(guò)在2塊石英板中加入塞尺來(lái)調(diào)節(jié)油膜厚度。

本試驗(yàn)通過(guò)標(biāo)定30，50，80 和100 μm 這4 個(gè)厚度的光斑圖像，確定熒光強(qiáng)度信號(hào)與油膜厚度的關(guān)系，即可通過(guò)實(shí)際油膜圖像計(jì)算出各像素點(diǎn)厚度，每個(gè)厚度標(biāo)定10 次并取平均值。壁面油膜厚度標(biāo)定圖像如圖6所示。

圖5 油膜厚度標(biāo)定裝置示意圖Fig.5 Diagram of calibration device of wall film thickness

圖6 壁面油膜厚度標(biāo)定圖像Fig.6 Wall film calibration image

為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高計(jì)算精度，LIF法所拍攝的每幅圖像都經(jīng)過(guò)能量校正、減背景和中值濾波3個(gè)后處理步驟。由于拍攝時(shí)激光能量存在波動(dòng)，因此，需要同比例地提高或降低圖片熒光強(qiáng)度以減小能量波動(dòng)帶來(lái)的誤差。雖然在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能地避免了可見(jiàn)光的影響，但拍攝得到的圖片仍然存在灰度約為100的相機(jī)底噪。油膜圖片與標(biāo)定光斑圖片減去所對(duì)應(yīng)的單板、雙板無(wú)油膜的背景圖片可降低底噪的影響。最后，在Matlab 軟件中使用中值濾波消除圖像上孤立的噪聲點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴射壓力對(duì)噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程的影響

本文將噴霧撞壁圖像分為自由噴射階段(噴霧撞壁前在環(huán)境氣體中的發(fā)展)和壁面射流階段(噴霧撞擊壁面后沿壁面發(fā)展)2 個(gè)部分；將10 MPa 及以下的噴射壓力定義為正常噴射，10～30 MPa 定義為高壓噴射，30 MPa 及以上定義為超高壓噴射。傾斜噴霧與垂直噴霧圖像部分重疊，噴霧基本沿軸線對(duì)稱(chēng)，本文僅討論噴束1噴孔軸線左半部分的噴霧圖像。當(dāng)撞壁距離d為50 mm，噴射壓力分別為10，30 和50 MPa時(shí)噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程如圖7所示。以時(shí)間為序，自由噴霧部分逐漸向壁面射流轉(zhuǎn)化，噴射結(jié)束后1.6 ms垂直噴霧基本完成撞壁。自由噴霧發(fā)展過(guò)程中與空氣間的壓力差形成剪切應(yīng)力，加速噴霧破碎并形成倒鉤型分枝[7]。壁面射流徑向發(fā)展時(shí)與空氣進(jìn)行動(dòng)量交換，促進(jìn)表面蒸發(fā)，受壁面摩擦力和空氣阻力影響，攤開(kāi)速度逐漸減慢。壁面噴霧端部受到滯止壓力和上方負(fù)壓區(qū)作用后向上卷曲，形成壁面渦旋[13]。

提高噴射壓力，噴霧的破碎霧化的程度明顯提高，隨著噴射器內(nèi)部通道中的湍流和空化增強(qiáng)[14]，液體燃料在噴嘴出口處破裂并形成具有較小平均直徑的液滴。通過(guò)對(duì)比圖7(a)，(d)和(g)可知：提高噴射壓力后枝狀結(jié)構(gòu)明顯增多且徑向發(fā)展良好，進(jìn)一步破碎成液滴簇團(tuán)，包裹噴霧液核區(qū)域。噴霧初始動(dòng)量增加，撞壁進(jìn)程提前，增大的撞壁初速度更有利于壁面射流的發(fā)展。在50 MPa 的超高噴射壓力下，傾斜噴霧與垂直噴霧之間產(chǎn)生局部負(fù)壓，使得速度快、質(zhì)量小的垂直自由噴霧末端向傾斜噴霧側(cè)偏移。對(duì)比圖7(c)，(f)和(i)可知：隨著噴射壓力增大，自由噴霧破碎所產(chǎn)生的液滴簇團(tuán)增多，這部分小液滴與環(huán)境氣體的相互作用面積增大很多[15]，更易蒸發(fā)且受到的氣體阻力增大，懸浮在空中不易繼續(xù)撞壁。本試驗(yàn)控制噴油質(zhì)量不變，因此，當(dāng)噴射壓力提高后，參與撞壁的噴霧質(zhì)量減少，燃油濕壁現(xiàn)象減弱。

當(dāng)撞壁距離d為50 mm，噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程如圖8所示。隨著撞壁距離增加，自由噴霧運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，噴霧撞壁時(shí)動(dòng)量減小，抑制了壁面射流的發(fā)展[16]。撞壁距離增加后，未撞壁的自由噴霧發(fā)展時(shí)間延長(zhǎng)，噴射壓力逐漸增大，有利于形成枝狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展成液滴簇團(tuán)。因此，在噴霧剛撞壁時(shí)，卷吸反彈部分與自由噴霧枝狀結(jié)構(gòu)混合呈扇狀結(jié)構(gòu)，有利于增加燃油與空氣的混合時(shí)間(見(jiàn)圖8(a))。

圖7 噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程(d=50 mm)Fig.7 Spray wall development process(d=50 mm)

壁面射流在噴油結(jié)束后1.6 ms內(nèi)持續(xù)發(fā)展，擴(kuò)展半徑和反彈高度同時(shí)增大。擴(kuò)展半徑和反彈高度隨壓力的變化如圖9所示。由圖9(a)可知：當(dāng)壓力小于45 MPa 時(shí)，不同拍攝時(shí)間下噴霧的擴(kuò)展半徑隨著壓力的增高基本穩(wěn)定，有先增大后減小的趨勢(shì)，噴霧的拓展半徑峰值大都出現(xiàn)在30 MPa 的超高壓狀態(tài)下；但當(dāng)壓力從45 MPa增至50 MPa后，擴(kuò)展半徑減小幅度明顯增大。從圖9(c)可以看出：反彈高度變化趨勢(shì)與擴(kuò)展半徑基本一致，但隨壓力變化的波動(dòng)較大。GDI 汽油機(jī)的缸徑一般為70～90 mm，因此壁面射流的擴(kuò)展半徑最好控制在35～45 mm，防止壁面射流部分以及反彈飛濺的小液滴過(guò)多撞擊缸壁。提高噴射壓力，在增大噴霧初始動(dòng)量的同時(shí)提高了液滴在自由噴霧階段破碎霧化程度，導(dǎo)致撞擊壁面噴霧減少。2種因素分別促進(jìn)和抑制著壁面射流的拓展與反彈，在達(dá)到一定壓力前后分別起主導(dǎo)作用使反彈高度和擴(kuò)展半徑都有先增大后減小的趨勢(shì)。

圖8 噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程(d=70 mm)Fig.8 Spray wall development process(d=70 mm)

圖9 擴(kuò)展半徑和反彈高度隨壓力的變化Fig.9 Changes of expansion radius and rebound height with pressure

由于噴霧霧化程度增加將提高噴霧的隨機(jī)性，因此，擴(kuò)展半徑和反彈高度隨壓力變化的規(guī)律性沒(méi)有正常噴射時(shí)的明顯(見(jiàn)圖9(b)和(d))。一方面，增大噴射距離后液滴撞壁時(shí)動(dòng)量減小，油膜鋪展速度減慢，鋪展距離縮短。因此，減小噴射提前角將導(dǎo)致擴(kuò)展半徑減小，這不利于附壁油膜形成后的蒸發(fā)。另一方面，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中減小噴射提前角能夠推遲噴霧撞壁，提高噴射壓力對(duì)噴霧霧化的促進(jìn)作用，從而減少附壁油膜的產(chǎn)生。相反，推遲噴射后反彈高度卻增大，這可能是由于噴霧經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的霧化，撞壁液滴的直徑和質(zhì)量均減小，壁面射流上方負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生的卷吸作用增強(qiáng)，從而提高壁面渦旋的抬起高度。由于在噴霧撞壁發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生扇形混合區(qū)(見(jiàn)圖8(a))，故噴霧結(jié)束后0 ms 時(shí)的反彈高度無(wú)法測(cè)量，但扇形區(qū)域的面積隨噴射壓力提高而增大。

2.2 噴射壓力對(duì)附壁油膜的影響

由LIF法測(cè)得的油膜圖像能夠通過(guò)其形態(tài)變化顯現(xiàn)出油膜形成過(guò)程：噴霧撞擊壁面消耗液滴動(dòng)量向各個(gè)方向鋪展，壁面射流停止并形成附壁油膜。附壁油膜厚度與形態(tài)變化如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：燃料主要積聚在薄膜邊界處，而撞擊區(qū)域油膜普遍較薄，這是噴霧液滴撞壁瞬間較大的動(dòng)量以及夾帶空氣流動(dòng)所造成的[17]。

由圖10(a)～(e)可知：噴射壓力提高使噴霧液滴破碎霧化程度增加，撞擊壁面的液滴總量減少，同時(shí)液滴動(dòng)量反而增大，加快油膜鋪展速度，最終導(dǎo)致油膜厚度明顯下降，表現(xiàn)在低厚度區(qū)域擴(kuò)大，邊界處的高厚度區(qū)域逐漸減少至消失，且油膜面積增加。由此可見(jiàn)，提高噴射壓力有利于附壁油膜蒸發(fā)燃燒，減少碳煙排放[18]。

由圖10(d)，(f)和(g)可知：在超高壓噴射條件下，增大噴射角度后，上游邊界逐漸消失。液滴撞壁水平動(dòng)量增大，因此，油膜向噴射方向鋪展的速度更快，距離更遠(yuǎn)。撞擊區(qū)域與邊界聚集區(qū)的薄膜厚度同時(shí)下降，說(shuō)明水平動(dòng)量增大并沒(méi)有導(dǎo)致油膜更快更多地聚集到薄膜邊界，但由于發(fā)展過(guò)程中油膜與其上方氣流之間的相對(duì)速度增大，附壁油膜的蒸發(fā)加快從而導(dǎo)致油膜整體厚度變小。

撞壁距離增大后，自由噴霧發(fā)展時(shí)間加長(zhǎng)，撞壁液滴動(dòng)量減小導(dǎo)致壁面射流被抑制，同時(shí)自由噴霧霧化破碎程度提高，枝狀結(jié)構(gòu)增加。自由噴霧階段形成的液滴團(tuán)簇在壁面射流結(jié)束后散落在油膜上形成中間厚、外圍薄的彌散狀(見(jiàn)圖10(h))，分別為壁面射流黏附部分和二次霧化小液滴覆蓋部分。

附壁油膜面積隨壓力的變化如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)撞壁距離為50 mm 時(shí)，附壁油膜的面積隨壓力提高而增大，噴射角度的變化并不影響這一趨勢(shì)，而噴射角度增大后噴霧面積相對(duì)減小。噴霧面積與各個(gè)方向壁面射流的擴(kuò)展半徑和壁面渦旋的降落有關(guān)，單一方向的擴(kuò)展半徑并不能決定噴霧面積，因此，擴(kuò)展半徑在噴射壓力提高到30 MPa時(shí)仍在增大，油膜面積開(kāi)始減小。當(dāng)垂直噴射的噴射距離提高到70 mm后，隨著壓力提高附璧油膜面積先增大后減少并在壓力為20 MPa 時(shí)達(dá)到最大值，噴霧平均面積減小29%。

圖10 附壁油膜厚度與形態(tài)變化Fig.10 Changes of wall film thickness and morphology

圖11 附壁油膜面積隨壓力的變化Fig.11 Change of wall-film area with pressure

本文將附壁油膜比定義為油膜附壁質(zhì)量與噴油總質(zhì)量之比。解決燃油濕壁引起的排放問(wèn)題需在燃燒前盡可能地消除活塞頂附著的燃油局部過(guò)濃區(qū)，通過(guò)噴霧結(jié)束后的附壁油膜比評(píng)價(jià)在自由噴霧及撞壁過(guò)程中提高噴射壓力、改變噴射角度、推遲噴油對(duì)減少附壁油膜質(zhì)量所起到的作用。

本試驗(yàn)中噴孔噴出的噴霧質(zhì)量一定，噴霧最終以3種形式存在：黏附在壁面，以微小液滴的形態(tài)漂浮在空中或落在視場(chǎng)外，在噴射過(guò)程中或形成附壁油膜后蒸發(fā)。

提高噴射壓力將使噴霧初始動(dòng)量增大，在噴霧撞壁過(guò)程中，壁面射流與空氣的相對(duì)速度提高將促進(jìn)噴霧的蒸發(fā)。同時(shí)，噴霧霧化程度提高將使更多的小液滴持續(xù)漂浮在空氣中。不同工況下附壁油膜比隨壓力的變化如圖12所示。由圖12可知：隨著壓力增大，油膜附壁率持續(xù)減小；當(dāng)壓力為40～50 MPa時(shí)，附壁油膜比降幅明顯增大，垂直噴射時(shí)油膜質(zhì)量降低79.3%?？梢钥闯霰驹囼?yàn)中噴霧在40 MPa后霧化程度顯著提高。隨著噴射角度增大，噴霧的質(zhì)量與面積都減小，這是由于傾斜噴霧撞壁后徑向速度更大，壁面射流過(guò)程中蒸發(fā)的噴霧量更多，附壁油膜面積的增大將加快其蒸發(fā)進(jìn)而抑制燃油濕壁現(xiàn)象，而附壁油膜比減小表明提高噴射壓力可促進(jìn)噴霧撞壁過(guò)程中燃油與空氣的混合。垂直噴射距離為70 mm 時(shí)的附壁油膜比變化趨勢(shì)與噴射角度為40°，噴射距離為50 mm條件下的附璧油膜比變化趨勢(shì)一致。

圖12 不同工況下附壁油膜比隨壓力的變化Fig.12 Changes of fuel adhering rate with pressure under different working conditions

油膜面積越大，厚度越薄，其與空氣接觸面積越大，而且油膜溫度越容易升高，這些有利于附壁油膜的蒸發(fā)?？紤]到附壁油膜面積不一、厚度不均，本文采用單位面積的油膜厚度來(lái)描述油膜平均厚度，平均厚度不僅能體現(xiàn)附壁油膜形成前噴霧霧化程度，也能預(yù)測(cè)已形成的附壁油膜在相同的工況下的蒸發(fā)情況。各工況下的油膜平均厚度如圖13所示。由圖13可知：當(dāng)噴射壓力從40 MPa提高到50 MPa時(shí)，平均油膜厚度急劇下降，減少86%。其中，當(dāng)傾斜角度為40°，噴射距離為50 mm 時(shí)的油膜平均厚度最小，相比基礎(chǔ)工況(垂直噴射壓力為10 MPa)減少95%。特別地，當(dāng)壓力為30 MPa、噴射角度為40°時(shí)，油膜平均厚度各個(gè)工況中最小(壓力為50 MPa 的工況除外)，相比基礎(chǔ)工況減少85%。從圖13可以看出：在相同壓力下，當(dāng)噴射角度從0°增至40°時(shí)，油膜平均厚度減少幅度最大。綜上所述，通過(guò)提高噴射壓力來(lái)減小油膜厚度，抑制燃油濕壁現(xiàn)象，噴射壓力需要提高至較大的值(本文中，壓力提升至40 MPa 以上)，同時(shí)配合傾斜噴射能夠得到更理想的效果。

圖13 各工況下油膜平均厚度Fig.13 Fuel thickness per unit area under various working conditions

3 結(jié)論

1)超高壓下自由噴霧受環(huán)境氣體的擾動(dòng)作用更加劇烈，在撞壁中后期由枝狀結(jié)構(gòu)徑向發(fā)展成的液滴簇團(tuán)面積增大，懸浮在空中更有利于蒸發(fā)。

2)提高噴射壓力，噴霧初速度增加，撞壁進(jìn)程提前，壁面射流發(fā)展速度加快，擴(kuò)展半徑和反彈高度隨壓力提高先增大，至超高壓狀態(tài)后反而開(kāi)始減??；推遲噴射使擴(kuò)展半徑減小，反彈高度增大。

3)隨著噴射壓力的提高，附壁油膜面積增大，油膜邊緣的噴霧聚集區(qū)隨壓力提高而逐漸消失，但油膜面積隨噴射角度和噴射距離的增大而減小。

4)當(dāng)噴射壓力提高至超高壓狀態(tài)后，平均油膜厚度、燃油附壁比降幅增大。當(dāng)噴射壓力從40 MPa提高到50 MPa 時(shí)，油膜厚度減少86%，燃油附壁率下降至10%左右；提高噴射壓力的同時(shí)增大噴射角度能更好地抑制燃油濕壁現(xiàn)象，減少顆粒物排放。